Vật liệu sử dụng trong chế tạo khí cụ bay

KY YEU HTTQ CO HOC VA KHI CU BAY CO DK pdf

Trang 1

vàn H 'VẬT LIỆU SỬ DỤNG TRONG CHẾ TẠO KHÍ CỤ BAY 'GS TSKH Nguyễn Đức Hùng, Trung tam KHKT-CNOS

+ 'Các khí cụ bay tiêu biểu như máy bay, tên lửa đều sử đụng nhiều chủng loại vật liệu với

„ những yêu cấu rất cao vẻ độ bền cơ học, bên môi trường, bên nhiệt nhảm đảm bảo độ an toàn cao Để đạt được những yêu cầu trên các vật liệu sử dụng trong chế tạo các khí cụ bay phải qua nghiên cứu chế tạo và thử nghiệm trên cơ sỡ các quy luật vẻ cấu tạo hóa học của các

loại vật liệu Những chủng loại vật liệu của các bộ phận: cánh, thân, khung, động cơ, sơn phủ

và ngay cả đầu nối của loại ống, dây dẫn đều được chế tạo cơ bản từ các loại hợp kim: nhôm, thép, tí tan, đồng cũng như composit với sợi polyme hoặc sợi kim loại, hợp kim,

Yeu cầu về tính chất của vật liệu cho kết cấu khí cụ bay

'Các khí cụ bay hoạt động trong không khí với tâm cao khác nhau và tốc độ bay lớn nên hịu nhiều độ, ấp suất cao và môi trường hoạt động biến đổi khắc nghiệt: Ẩm mặn Các vị trí và chức tác động cơ, lý, hóa như tả trọng đa dạng với cường lục rất lớn , biến đổi sốc nhiệt năng khác nhau của khí cụ bay cũng như hình thái học của chúng [1] sẽ yêu cầu vật liệu kết cấu cũng phải có bản chất, tính chất và độ bền khác nhau Về cơ bản các chủng loại vật liệu kết cấu của các khí cụ bay gồm: vật liệu khung như cánh, thân, cột, khung, xương, càng, vỏ, som phil vA vat lieu động cơ như: tuye, tuabin Các tính chất cơ bản của vật liệu kết cấu khung là chịu lực và các vật liệu động cơ là chịu được tác động oxihéa nhiệt cao (hình 1) còn vật liệu bể mặt phải bên ma sát và nhiệt độ biến đổi (hình 2)

Hình 1 Động cơ tuabin phản lực Hình 2 Sự biến đổi nhiệt độ tại các vũng

và các vật liệu của máy bay

'Các chủng loại vật liệu

Tir yeu cầu hoạt động của các khí cụ bay, các bộ phận khác nhau với những chức năng khác nhau sẽ yêu cầu những tính chất cơ lý hóa khác nhau như: độ bền mài mòn độ dẻo, độ cứng, tính chất từ cũng như độ dẫn và cách điện của các loại vật liệu từ và vật liệu điện tử, v

1 Vật liệu kim loại va hợp kim

~ Vật liêu kim loại và hợp kim được dùng phổ biến nhất trong kỹ thuật hàng không - vũ 'rụ là hợp kim nhôm [2] Tỷ phần hợp kim nhôm so với các kim loại khác cũng thay đổi theo thời gian và chủng loại của khí cụ bay (bảng 1) Bảng 1 cho thấy ngày nay tuy tỷ phần sử dụng hợp kim nhôm giảm nhưng trước day được dùng chủ yếu do hợp kim nhôm có những ưu điểm

nhẹ, tỷ trọng nhỏ (2.7g/cm`), dẫn nhiệt và dẫn điện cực tốt, rất bén ăn mòn và ðxihóa Hợp kim nhóm bến được trong các điều kiện: trang thái ran, môi trường lạnh theo thời gian "Những chủng loại hợp kim nhôm được sử dụng phổ biến trong kỹ thuật hàng khong la 2XXX

Trang 2

(Al-Cu-Mg) 6XXX (Al-Mg-Si) và 7XXX (AI:Za-Mg-Cu) tại các vị trí khác nhau của máy bay như hình 3 Bảng 1 Năm HKAIL% | HKT.% CFC Misc 1990 | Dan dung 65 10 10 15 Quân sự 12 2L 12 1995 | Dân dụng 5 12 14 Quan si 31 12 7 1 Hiện nay giảm < 16% | tăng hơn nhiều | tăng hơn nhiều

Hinh 3 Các vùng của máy bay sử dụng các loại vật liệu hợp kim nhôm khác nhau

Chế độ công nghệ tôi nhiệt cũng như hàm lượng của các nguyên tế hợp kim có tác động rất quyết định đến tính chất độ bẻn cơ học và bền môi trường của vật liệu hợp kim nhôm và ký hiệu bằng bằng số như: 2618 có thành phần hóa học là AI-2.3Cu-1.6Mg: 2224 có lành phản hóa học là Al-4,4Cu-1,5Mg-0,6Mn; 7050 có thành phán hóa học là Al-6ZZm 3Cu-2,2Mg: 7075 có thành phản hóa học là AI-5.6Zn-2.5Mg-.6Cu; 7150 có thành phần hóa ề IMạ-2,2Cu Yếu tố quyết định đến độ bền của các chủng loại hợp kim nhôm nhờ chế độ nhiệt luyện và hợp kìm hóa là nhờ cách sắp xếp cấu trúc phân tử và sắp xếp: dda pha Hạn chế chủ yếu của hợp kim nhôm là nhiệt đô nóng chảy thấp (~66ŒC)

- Hop kim ạn có độ bê r cao dược công nghiệp hàng không và quân sự chú ý phế triển tên cơ sở vĩ cấu trúc với kích thước micro và nano

- Hợp kim đồng được chú ý nghiên cứu và ứng dụng do độ dẫn điện và dẫn nhiệt tốt “Thép có dao động rất rộng về độ bền kéo (đến > 1200MPa) và bẻn uốn (đến ~ 50%)

Trang 3

op kim than Hep kim ten | "Bọ bến dàng He hòn) set 29 Mình 4 Độ bến kéo đứt của vật iệu siêu hợp kim 2, Vật liệu composit

‘Vic sản xuất vật liệu scompoit (VLCPS) bùng nổ trong những thập niên vừa qua với tốc

độ gia tăng đến 6%/năm [3] vì VLCPS trên cơ sở tổ hợp vật liệu nhựa và sợi hữu cơ, vô cơ,

loại với những cấu trúc khác nhau [4] đã tạo nên những tính chất vượt trội so với vật liệu truyền thống, nhất là các tính chất cơ học như độ dẻo, bền gãy, bến mỏi, cứng, dai cũng như cắc tính chất hóa lý như bén oxihéa, bén an mon, dẫn hoặc cách nhiệt, dẫn hoặc cách điện [5]

“Tuy vậy tỷ phần VLCPS tại Pháp mới đạt được 300.000 tấn năm 2000 so với 18 triệu tấn kim loại Tỷ phần sử dụng VLCPS cũng rất khác nhau tại các quốc gia của Châu Âu cũng như tại

các ngành công nghiệp khác nhau Trong khi Đức chiếm đến 28%, Italia 18% thì Pháp chỉ

15%, Anh, Tây Ban Nha 8%, Hà Lan 7%, Bỉ 6% còn các nước khác của Châu Âu chỉ 10%

'Trong khi ngành công nghiệp ôtô chiếm đến 32%, CN hàng không 23%, CN gia dụng 15%, thể (hao giải trí 11% thì công nghiệp điện tử chỉ chiếm 9%, CN đóng tàu 4%, thiết bị y tế 2%

'Quá trình kết hợp hoặc tổ hợp từ 2 hay nhiều hơn các loại vật liệu đã cho VLCPS những

tính chất khác với các vật liệu gốc nên VLCPS được coi như là sản phẩm có thể thiết kế theo những tính chất mong muốn như cứng, dẻo, chắc, nhẹ Về cơ bản VLCPS gồm có vật liệu tạo

tạo lưới và vật liệu gia cường Vật liệu tạo mạng, tạo lưới là sợi có thể bằng kim loại,

5,

hoặc polime nhưng trong kết cấu vật liệu bay thường là mạng, lưới polime được gia cường sợi để đạt được các tính chất: độ dẻo và cứng, bền cao, tính định hướng thích ứng, không bị ăn mòn trong môi trường muối, bền mỏi tuyệt vời

Hình 5 Kết cấu góc tăng cường Hình 6 Các dạng sợi và mạng lưới

Giếng như cách sip xép tinh thé cacbon quyết định đến các tính chất cơ, lý, nhiệt của Vật liệu than chi va kim cương cách sắp xếp vật liệu mạng lưới và sợi cũng có ý nghĩa quyết định đến các tính chất cơ, lý nhiệt của VLCPS

Trang 4

“Trong những năm gắn day việc ứng dụng vật liệu nanô làm vật liệu mạng lưới còn mang lại cho VLCPS những tính chất vưới trội rất đặc biệt [6] như độ dẻo độ cứng độ bền cơ, lý, hóa, độ siêu dẫn và nhất là vẻ kích thước cực nhỏ, cực nhẹ Chỉ riêng vật liệu cánh của khí cu bay cũng là một lĩnh vực nghiên cứu rất phong phú của vật liệu hóa học [7] thu hút sự tập tung của các phòng thí nghiệm ví du như: Air Force Research Laboratory: NASA"s Langley Research Center (LaRC) da bắt đầu từ nghiên cứu cấu trúc và vật liệu của các cánh chim để mô phỏng theo Đến nay kỹ thuật và vật liệu của khí cụ bay vẫn chưa đạt được trình độ của chim như nhảy, bay lài nhưng cũng đã vượt xa về sức chịu tải, tốc đọ, chíu nhiệt và cũng có thể biến đổi co giãn hình dáng để thích nghỉ và tự sửa chữa nhờ sử dụng tổ hợp các dạng vật liệu polime, kim loại va hop kim, composit va dac biệt là các dạng vật liệu nanô

"Những vị trí được sử dụng các loại VLCPS và hợp kim khác nhau trong kỹ thuật hàng không [8] được trình bày tại hình 7 và 8

a J (eqn ity bio

Hình 7 VỊ trí thiết kế sử dụng các VLCPS khéc nhau Hình 8 Ống nối và các loại vậtliệu

3 Vật liệu polime

Các polime cũng được sử dụng từng phán rất khác trong kết cấu khung hoặc là vật liệu cách điện, vật liệu thủy tỉnh hữu cơ trong suối, v và đặc biệt là vật liệu sợn vỏ Các vật liệu polime được sử dụng khá phổ biến trong kỹ thuật hàng không nhất là từ thập niên gắn day là các loại nhựa: polyurethane đã được phát minh từ 1930 do Otis Bayer với ưu điểm nổi bat về độ đẻo, đàn hồi và độ bén đối với tấc động của oxy, ozôn và ánh sáng mật trời; copolyester chủ yếu là Riteflex" va Amitel” với các chỉ số khác nhau tương ứng với các tính năng khác nhau đặc biệt bền nhiệt và bền hóa học Các nhớm vật liêu polyme nhớ hình dạng (SMM) gém các họ polyme nhớt hình dạng (SMP) nh thể lỏng đàn hổi (L.CE) cũng như hợp kim nhớ hình dang (SMA) dang được nghiên cứu ứng dung cho kỹ thuật tàng hình để nguy trang Dạng vật liều sợi đệt các nhóm Spandex”, Spandura, Lyera”, Cordura®, Nylon", Tru-stretch® v.v fy thuộc vào mức độ và chiều đàn hổi cũng được sử dụng rất phổ biết trong kỹ thuật khí cụ bay Cong nghé chế tạo vật liệu và biến tính vật liêu

“Chế tạo các vậ liêu cho kỹ thuật hàng không và khí cụ bay chủ yếu đựa vào công nghệ hóa học và công nghệ nhiệt luyện Các vật liệu được chế tao còn được kết hợp với các công đoan bổ trợ khác nhau nhàm biến đổi tính chất để đạt được những tính chất mơng muốn Quá trình biến ính vật liêu có thể được thực hiện cho toàn bộ vật liệu nhưng cũng cổ thể chỉ thực hiện trên bể mặt là đủ Biển đổi tính chất toàn bộ hoặc bé mặt vật liêu có thể được thực hiện ngay trong quá trình chế tạo vật liệu hoặc khi đã là thành phẩm bảng nhiều công nghệ khác

nhau như vật lý, nhiệt, hóa hoặc điên hóa

Trang 5

~ Công nghệ điện hóa và hóa học có thể tạo nên những ủ bể mặt (hình 9) với

l1 ca õa nỶẽŸê nano cỄỀC

Hình 8 Các lớp phủ bằng các vật liệu khác nhau: a) NIAI; b) nylon/A!; e) mạ Cc

~ Công nghệ micrô và nanô [9] sẽ chế tạo các loại vật liệu có kích thước cỡ micro và na

nô để mang lại cho vật liệu nhuững tính chất đặc biệt do hiệu ứng kích thước Các công nghệ

chế tạo vật liệu micro và nano chủ yếu từ hai chiều làm nhỏ ra các vật liệu có kích thước lớn và làm lớn lên những ion, phân tử [10] cũng bằng các phương pháp ngưng tụ hóa hoc (CVD), ngưng tụ vật lý (PVD) hoặc nghiền cơ, nhiệt Công nghệ vật liệu nanô còn bao hàm cả cách "ấp Xếp, kết cấu các dạng hat, nhữ tương, huyền phù, lớp đặc sít hoặc xốp; đơn hay nhiều lớp; đồng nhất hay đa thành phản, ống hay sơi v.v Việc ứng dụng vật liệu micrô và nanô vào lĩnh

lực khí cụ bay chắc chắn sẽ mang lại những hiệu quả đặc biệt bất ngờ

Các phương pháp xác định tính chất vật liệu khí cụ bay

Trang 6

Kết luận

'Do yêu cầu rất đặc biệt phải hoạt động trong khí quyển với tốc độ cao nên các vật liệu .được sử dụng để thiết kế và chế tạo cho các khí cụ bay cũng như kỹ thuật hàng không đồi hồi nhiều chất lượng rất cao vẻ các tính chất cơ, lý, hóa như độ bổn, độ đẻo, độ cứng, chịu tác

diag SCE Sing MERE ER Re the, Oe S20 điện, 5

KH NT Tan no 2 -

được kết hợp hợp lý các ưu điểm của từng vật liệu riêng biết tỏ ra có rất nhiều lợi thế rong việc sử dụng để chế tạo các khí cụ bay Những vật liệu trên khi được kết hợp với các công

nghệ xử lý thích hợp cung như sử dụng những ưu điểm nổi bật của vật liệu nano thì các chất cơ, ý, hóa nhiệt càng được cải tiến đặc biệt tính Công nghệ chế tạo và kiểm tra các tính chất của các vặt liệu hàng không và khí cụ bay

thường có đặc thù riêng khó chuyển giao nẻn yêu cầu phải tự nghiên cứu cho phù hợp với

cứu

điều kiện là rất quan trọng vì vậy việc kết hợp giữa các ngành khacs nhau trong nghiên chế tạo khí cụ bay là rất cắn thiết

TÀI LIỆU THAM KHẢO

(l] MẠT Kikuta: Mechanieal Properies oƒ Candidate Materials for Morphing Wings, Master of Science, Blacksburg, Virginia, 2003

I2] T Burg A Crosky: Materials for Aeronautical Enginnering, Materials Science and Engineering, University of New South Wales, 2001, 1-18

l3] H Chalaye: Composite Materials Drive and Innovation, SESSI-Ministere de LEconomie, de Finances et de L Industrie, No 158 (2-2002)

[4] G Wu, LM Yang: The Mechanical Behavior of GLARE Laminaté for Aircraft Structures, Failure in Structural Materials, Overwiew, (2-2005), 72-102

[5] P.V Houtte: Mechanical Properties of Metals and Composites, Catholic University Louvain, Belgium, 2004, 183-187

[6] R.A Vaia: Polymer Nanocomposites Open a New Dimension for Plastics and

Composites, The AMPTIC Newsletter, Volume, 6, Number 1, (2002), S 17-24

[7] M.T Kikuta: Mechanical Properties of Candidate materials for Morphing Wings, Blacksburg, Virginia, 2003,

[8] J.A Ziegenhagen, J.C Hietholzer, E.L White: Aircraft Connector Boding Resistance Tests and Materials analysis, University of Dayton Research and Air Force Research Laboratory, USA, 2003, 1-11

(9] W.A Goddard Ill, D.W Brenner, SE Lyshevski, GJ Iafrate: Handbook of Nanoscience, Engineering and Technology, CRC Pres, Boca Raton ~ London ~ New ‘York ~ Washington, 2003

[10] Nguyễn Đức Hùng Lê Thị Thoa: Var ligu nand tic cong nghệ chế tạo đến khả nding ig dung, Tap chi Nghiên cứu KHKT&CNQS, Số 10, T3 (2005), 121-131